دسته‌ها
دانستنی های فیزیک

مخروط ماخ

در این مطلب می گوییم منظور از دیوار صوتی و شکسته شدن دیوار صوتی چیست. و به ایجاد موج های ضربه ای و بررسی مخروط ماخ و همچنین عدد ماخ می پردازیم.

وقتی سنگی را به درون آب پرتاب می کنیم، مشاهده می کنیم که موج هایی به صورت دایروی ایجاد می شوند که از آن نقطه دور می شوند و در سطح مایع پراکنده می شوند. علت ایجاد این امواج، انرژی است که سنگ در حال حرکت به لایه ای از مولکول های سطح آب داده است که به لایه های دیگر منتقل می شود. وقتی جسمی در شاره دیگری مانند هوا حرکت کند نیز مشابه همین اتفاق می افتد. به عنوان مثال وقتی یک هواپیما در هوا حرکت می کند، مولکولهای هوا در اطراف هواپیما فشرده می شوند. اگر سرعت هواپیما خیلی کمتر از سرعت صوت در هوا باشد، چگالی هوا ثابت می ماند و می توان از معادلات ناویر-استوکس در سیالات، برای توصیف شرایط  هوا استفاده کرد.

 اما وقتی سرعت هواپیما به نزدیکی سرعت صوت می رسد، باید اثرات تراکم پذیری گازها را در نظر گرفت. همان طور که نوک هواپیما به هوا برخورد می کند ، هوا را فشرده می کند و چگالی هوا به صورت نقطه ای افزایش می یابد. به این تغییر ناگهانی در فشار و چگالی ، امواج ضربه ای گفته می شود. امواج ضربه‌ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به‌صورت یک موج در فضا منتشر شود.

سرعت های ابر صوتی و مخروط ماخ

هواپیمایی را در نظر بگیرید که با سرعتی نزدیک به سرعت صوت در هوا در حال حرکت است. در این سرعت‌ها،  هوای جلوی دماغه هواپیما، به‌شدت متراکم می شود و دما و فشار آن بالا می رود و یک موج ضربه ای ایجاد می کند. از آنجایی که منبع در جهت خاصی حرکت می کند، جبهه های موج در جلوی آن به هم نزدیک می شوند . چون سرعت هواپیما با سرعتی کمتر از سرعت صوت حرکت می کند، نوک هواپیما هنوز درون دایره های جبهه موج قرار دارد.  امواج ایجاد شده، مانند شکل زیر در فضا پخش می شود.

mach cone physicfa 01 مخروط ماخ

با نزدیک شدن به سرعت صوت، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی دماغه متراکم می‌شوند و نوک دماغه هواپیما بر جبهه های موج مماس می شود.

mach cone physicfa 02 مخروط ماخ

اگر سرعت هواپیما بیشتر از سرعت صوت باشد، هواپیما از جبهه های موجی که در لحظات قبل ایجاد کرده بود، خارج می شود و بخشی از جبهه موج جدیدی که ایجاد می کند خارج از جبهه های موج قبلی قرار می گیرد. از رسم کردن خط مماس بر جبه های موج یک شکل مخروط ایجاد می شود که به آن مخروط ماخ می گویند.

mach cone physicfa 03 مخروط ماخ
mach cone physicfa 04 مخروط ماخ

عدد ماخ

برای به دست آوردن زاویه این مخروط به صورت زیر عمل می کنیم:

mach cone physicfa 05 مخروط ماخ

بر اساس شکل بالا می توان نوشت :

mach cone physicfa 06 مخروط ماخ

µ زاویه راس مخروط ماخ است و پارامتر  M عدد ماخ است که به صورت زیر تعریف می شود:

mach cone physicfa 07 مخروط ماخ

اگر سرعت جسم کمتر از سرعت صوت باشد، عدد ماخ کوچکتر از یک است. اگر سرعت جسم برابر با سرعت صوت باشد عدد ماخ برابر با یک است و اگر سرعت جسم بیشتر از سرعت صوت باشد، عدد ماخ بزرگتر از ۱ است.

mach cone physicfa 08 مخروط ماخ

دیوار صوتی چیست؟

دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست. وقتی هواپیما یا جسم دیگری به سرعت نزدیک صوت می رسد، به علت تراکم و تغییر فشار هوا ، رسیدن به سرعت صوت و سرعت های بالاتر از سرعت صوت بسیار مشکل می شود و نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد. این حد، یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته می شود و به آن دیوار صوتی می گویند . رد شدن از دیوار صوتی موجب ایجاد یک صدای غرش می شود. (sound boom)

صدای غرش می تواند به اجسام روی زمین مانند شیشه‌های منازل و ساختمان‌ها برخورد نموده و باعث شکستن آن‌ها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای به‌طور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است. اما  این صدای غرش فقط در زمانی که هواپیما در حال عبور است، موجب آسیب نمی شود بلکه هر جسمی که در مخروط ماخ قرار داشته باشند، آسیب می بیند. مانند شکل زیر:

mach cone physicfa 09 مخروط ماخ

صدای غرش بخاطر تغییر ناگهانی فشار رخ می دهد و این اتفاق در عیور یک هواپیما، دوبار اتفاق می افتد. وقتی هواپیما بالاتر از سرعت صوت حرکت می کند، در دماغه هواپیما، یک افزایش فشار ناگهانی ایجاد می شود. همچنین وقتی که انتهای هواپیما عبور می کند و فشار ناگهان به حالت عادی بر می گردد نیز یک تغییرفشار ناگهانی رخ می دهد . بنابر این عبور هواپیما دو غرش ایجاد می کند اما معمولا توسط گوش انسان، یکی شنیده می شود. تغییرات فشار را  با  موج  N بیان می کنند که دو غرش (boom) را در بر دارد و چون مانند شکل  N یک قله و یک دره دارد، به این نام در آمده است.

mach cone physicfa 10 مخروط ماخ

مدلهای کامپیوتری با استفاده از این اصول می توانند شدت و مکان بوم صوتی را برای شرایط جوی داده شده و پرواز مشخص پیش بینی کنند.

در ویدیو زیر شکسته شدن دیوار صوتی توسط جگنده F-18 را مشاهده می کنید.


کبیری

از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *